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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Überwachen eines Flüssigkeitsniveaus, vorzugsweise zur Überwachung eines Flüssigkeitsniveaus in einem Behälter, wobei es sich bei dem Behälter beispielsweise um einen Tank, eine Tonne oder dergleichen oder aber um ein Bauwerk, wie beispielsweise eine Zisterne, eine Grube oder dergleichen handeln kann.
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Aus dem Stand der Technik sind zum Überwachen eines Flüssigkeitsniveaus unterschiedliche Schwimmkörper mit Schaltvorrichtungen bekannt, mit deren Hilfe beim Erreichen eines bestimmten Flüssigkeitsniveaus ein mechanischer Schalter betätigt wird. Das Schaltsignal wird über eine kabelgebundene Verbindung an einen Empfänger übertragen, der üblicherweise außerhalb des Behälters angeordnet ist. Bei dem Empfänger des Schaltsignals kann es sich beispielsweise um eine zentrale Steuerungseinheit einer Abwasser- oder Kläranlage oder um eine dem Behälter zugeordnete Pumpe oder ein beliebiges anderes Gerät handeln. Das Schaltsignal dient somit als Eingangssignal für eine sich anschließende Signalverarbeitung und/oder als unmittelbares Steuersignal zum Betreiben eines Gerätes.
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Aufgrund sich ändernder Flüssigkeitsniveaus ist eine solche elektrische Verbindungsleitung regelmäßig einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Ändert sich das Flüssigkeitsniveau periodisch oder schwingt die Oberfläche der den Schwimmkörper tragenden Flüssigkeit periodisch, wie es zum Beispiel bei dem Auftreten von Flüssigkeitswellen der Fall ist, wie sie durch die Belüftung in Kläranlagen entstehen können, kann die mechanische Belastung der Verbindungsleitung so hoch sein, daß sie nach kurzer Zeit bricht oder anderweitig beschädigt wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Überwachen eines Flüssigkeitsniveaus bereitzustellen, mit der eine besonders zuverlässige Ausgabe des Schaltsignals über einen langen Zeitraum möglich ist. Diese Aufgabe durch eine Einrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Überwachen eines Flüssigkeitsniveaus umfaßt einen Schwimmkörper, einen in dem Schwimmkörper angeordneten Schalter, der zur Ausgabe eines Schaltsignals in Abhängigkeit von dem Niveau der Flüssigkeit ausgebildet ist, und einen Funksender zur drahtlosen Übertragung des Schaltsignals an einen außerhalb des Schwimmkörpers angeordneten Empfänger.
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Eine Grundidee der Erfindung ist es, auf die Verwendung einer Verbindungsleitung zwischen dem Schalter einerseits und dem Empfänger des Schaltsignals andererseits zu verzichten. Eine mechanische Belastung der Verbindungsleitung durch sich ändernde Flüssigkeitsniveaus ist daher von vornherein ausgeschlossen. Die Erfindung schlägt vor, das Schaltsignal drahtlos mit Hilfe eines in dem Schwimmkörper angeordneten Funksenders zu übertragen. Dadurch ist eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei der Signalübertragung sichergestellt. Die Überwachungseinrichtung kann ohne Reparatur bzw. Austausch der Verbindungsleitung über einen langen Zeitraum betrieben werden.
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Der zum Einsatz kommende Funksender ist vorzugsweise zur Ausbildung einer Kurzstreckenfunkverbindung, beispielsweise mit einer Reichweite von 50 Metern innerhalb Von Gebäuden, ausgebildet. Da üblicherweise nur ein einziges Schaltsignal übertragen werden muß, ist die Dauer des Funkbetriebs zudem sehr kurz. Die zur Abstrahlung des Funksignals erforderliche Sendeenergie zum kurzzeitigen Sendebetrieb Funksignals ist daher sehr gering.
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Die Verwendung von Funksendern zum übertragen von Schaltsignalen ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Zum Betrieb des Funksenders wird üblicherweise eine Versorgungsleitung zum Anschluß an eine Stromversorgung benötigt. Die Verwendung einer solchen Versorgungsleitung ist jedoch mit der Erfindungsidee einer autarken Überwachungseinrichtung unvereinbar. Als Alternative bietet sich daher die Verwendung von Batterien zur Stromversorgung an. Insbesondere in solchen Anwendungsfällen, in denen die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung mit besonderem Vorteil anwendbar ist, nämlich bei einem Einsatz der Überwachungseinrichtung an schwer zugänglichen Stellen oder an Orten, auf die aus anderen Gründen nur sehr selten zugegriffen werden kann, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Überwachungseinrichtung mit einer Energieversorgungseinrichtung zu versehen, welche den Funksender mit aus der Bewegung des Schwimmkörpers gewonnener elektrischer Energie versorgt.
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Die Energieversorgungseinrichtung umfaßt zu diesem Zweck einen Energiewandler, vorzugsweise einen elektromechanischen Wandler, zur Umwandlung kinetischer Energie des Schwimmkörpers in elektrische Energie zur Versorgung des Funksenders. Die auf diese Art gewonnene Energie wird entweder unmittelbar zum Betrieb des Funksenders verwendet, zu welchem Zweck der Energiewandler elektrisch mit dem Funksender verbunden ist, oder aber die gewonnene Energie wird in einem zu diesem Zweck vorgesehenen Zwischenspeicher gespeichert. In diesem Fall ist der Zwischenspeicher einerseits elektrisch mit dem Energiewandler und andererseits elektrisch mit dem Funksender verbunden. Zur Energiespeicherung in dem Zwischenspeicher können beispielsweise Kondensatoren zum Einsatz kommen. Eine andere Möglichkeit der Energiespeicherung ist die Verwendung eines Akkumulators geeigneter Technologie, zum Beispiel eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators mit geringer Selbstentladung.
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Der verwendete Funksender kann zusammen mit dem optionalen Zwischenspeicher und dem Energiewandler oder Teilen des Energiewandlers sowie dem Schalter oder Teilen des Schalters als kompakte Baueinheit ausgeführt sein, die sich nach Art eines Moduls mit verschiedenen Schwimmkörpern kombinieren läßt. Zur kompakten Ausführung trägt bei, daß die Sendeantenne vorzugsweise als integrales Bauelement in dem Funksender enthalten ist.
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Bei der Bewegung des Schwimmkörpers, die direkt oder indirekt zur Gewinnung der elektrischen Energie genutzt wird, kann es sich, je nach Ausführung der Überwachungseinrichtung und insbesondere je nach Ausführung des zum Einsatz kommenden Schwimmkörpers, um eine Auf- und Ab-Bewegung des Schwimmkörpers handeln, wie sie durch eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus verursacht wird. Anstelle dieser im wesentlichen vertikalen Bewegung oder zusätzlich hierzu kann es sich bei der zu nutzenden Bewegung des Schwimmkörpers auch um eine Hin- und Her-Bewegung, also eine im wesentlichen horizontale Bewegung des Schwimmkörpers bei gleichbleibendem Flüssigkeitsniveau handeln, beispielsweise hervorgerufen durch Strömungen oder dergleichen.
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Die zum Einsatz kommende Energieversorgungseinrichtung kann Energiewandler unterschiedlichen Typs verwenden. Besonders vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung eines Lineargenerators, der eine geradlinige Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Diese Art von Energiewandler kann konstruktiv besonders einfach und damit preiswert hergestellt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Ausführung erwiesen, bei der ein sich aufgrund einer Bewegung des Schwimmkörpers bewegender Permanentmagnet vorgesehen ist, der sich relativ zu einer elektrischen Spule bewegt. Ein solcher elektrodynamischer Wandler ist zur Erzeugung geringer Mengen elektrischer Energie, wie sie für einen kurzzeitigen Betrieb des Funksenders benötigt wird, ausreichend.
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Alternativ zum Einsatz eines Lineargenerators kann beispielsweise auch ein Piezowandler verwendet werden, dessen Piezoelement zur Erzeugung einer elektrischen Spannung von einem Funktionskörper mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird, verursacht durch eine im Zusammenhang mit einer Bewegung des Schwimmkörpers stehenden Bewegung des Funktionskörpers. Als Piezoelemente können dabei sowohl Piezokristalle, als auch piezoelektrische Keramiken eingesetzt werden.
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Der das Piezoelement beaufschlagende Funktionskörper ist, ebenso wie der als Funktionskörper dienende Magnet bei einem elektrodynamischen Wandler, vorzugsweise ein in dem Schwimmkörper angeordneter, sich bei einer Bewegung des Schwimmkörpers bewegender Funktionskörper, wobei es sich vorzugsweise um eine definierte Bewegung handelt, insbesondere also eine Bewegung auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn.
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Andere Wandler, die in der Energieversorgungseinrichtung verwendet werden können, sind zum Beispiel elektromechanische Rotationswandler zu Nutzung von Drehbewegungen und Vibrationswandler zur Nutzung von Schwingungen, beispielsweise von Wellenbewegungen der Flüssigkeit in dem Behälter.
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Als Teil des Rotationswandlers kann dabei beispielsweise ein kugelgelagerter Rotor verwendet werden, wie er zur Betätigung des automatischen Aufziehmechanismus einer mechanischen Armbanduhr zum Einsatz kommt.
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Auch bei dem Umschnappen eines Federelements, beispielsweise verursacht durch eine mechanische Beaufschlagung durch einen sich in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsniveau bewegenden Funktionskörper, kann durch elektromagnetische Induktion ein kurzer Spannungsimpuls erzeugt werden, der zur Stromversorgung des Funksenders verwendbar ist.
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In einer konstruktiven besonders einfachen, damit sehr robusten und wenig fehleranfälligen und zugleich preiswert herstellbaren Überwachungseinrichtung ist der Schalter als ein mechanisch betätigbarer Schalter ausgeführt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Mikroschalter. Unabhängig von der konkreten Ausführung des Schalters können grundsätzlich unterschiedliche Schaltertypen zum Einsatz kommen. Je nach Anwendungsbereich kann es sich dabei um Öffnerschalter bzw. Schließerschalter oder aber um Wechselschalter mit Öffner- und Schließerkontakt handeln.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung eines Schalters, bei der ein Funktionskörper in Form einer Kugel in Abhängigkeit von der Neigung des Schwimmkörpers in Folge einer Schwerpunktverlagerung auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn seine Position verändert und, beispielsweise über ein Hebelsystem, den Schalter betätigt. Wird diese Art von Schalter eingesetzt, ist der Schwimmkörper vorzugsweise mit Hilfe eines Halteelements, beispielsweise in Gestalt eines flexiblen oder starren Haltestabes, an einem zumeist ortsfesten Haltepunkt, beispielsweise an einer Wand des Flüssigkeitsbehälters, befestigt, so daß eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus eine Änderung der Neigung des Schwimmkörpers zur Folge hat. Das Halteelement ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß der Schwimmkörper in einer Art und Weise auf der Flüssigkeit schwimmend frei bewegbar ist, daß er allen voraussichtlich auftretenden Änderungen des Flüssigkeitsniveaus zu folgen vermag.
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Der Schalter ist in diesem Fall durch die Bewegung eines Funktionskörpers betätigbar, wobei der Funktionskörper vorzugsweise im Inneren des Schwimmkörpers angeordnet ist und mit dem Schwimmkörper in Wirkverbindung steht. Das bedeutet, daß der Funktionskörper entweder mittelbar oder unmittelbar auf eine Bewegung des Schwimmkörpers, insbesondere eine Positions- oder Lageänderung des Schwimmkörpers, mit einer entsprechenden Bewegung reagiert. Mit anderen Worten ist die Bewegung des Funktionskörpers analog der Bewegung des Schwimmkörpers direkt oder indirekt von dem Flüssigkeitsniveau oder aber von einer Änderung des Flüssigkeitsniveaus abhängig.
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Im Fall der einer schiefen Ebene folgenden, als Funktionskörper dienenden Kugel wird der Schalter indirekt durch eine Bewegung des Schwimmkörpers ausgelöst, nämlich durch eine durch die Bewegung des Schwimmkörpers hervorgerufene Bewegung der in dem Schwimmkörper angeordneten Kugel. Es kann jedoch auch ein Schalter vorgesehen sein, der durch die Bewegung des Schwimmkörpers direkt ausgelöst wird. Beispielsweise kann der Schwimmkörper über ein Gestänge den Schalter betätigen oder aber der Schwimmkörper ist mit einem Permanentmagneten versehen, dessen Magnetfeld einen an dem Halteelement angeordneten Reedkontakt betätigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der den Schalter betätigende Funktionskörper zugleich derjenige Funktionskörper, dessen kinetische Energie von einem Energiewandler in elektrische Energie zur Versorgung des Funksenders umgewandelt wird. Die Energie zum Betreiben des Funksenders wird mit anderen Worten aus dem Schaltereignis selbst gewonnen. Dies ist prinzipiell bei allen beschriebenen Arten von Schaltern und Energieversorgungseinrichtungen der Fall. Beispielsweise kann der Schalter ein Piezoelement aufweisen derart, daß eine als Funktionskörper dienende, auf einer definierten Bewegungsbahn laufende Kugel bei einer Änderung der Neigung des Schwimmkörpers und einer daraus resultierenden Betätigung des Schalters zugleich diejenige elektrische Spannung erzeugt, die zum Versenden des Schaltsignals über die Funkstrecke benötigt wird. Der Piezowandler ist dabei vorzugsweise derart ausgeführt, daß bereits eine einzige Betätigung des Piezoelements, hier also beispielsweise ein einziger Schaltvorgang, ausreicht, um den Funksender mit der benötigten elektrischen Energie zu versorgen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung eines von einer Kugel betätigten Mikroschalters beschränkt. Anstelle eines solchen Schalter können verschiedene andere Schalter mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Anstelle eines herkömmlichen, mechanisch betätigbaren Schalters, dessen Betätigung aufgrund einer mechanischen Bewegung eines Funktionskörpers, wie beispielsweise einer Kugel, erfolgt, wobei die Bewegung im Zusammenhang steht oder hervorgerufen wird durch eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus und eine damit verbundene Bewegung des Schwimmkörpers, ermöglicht die vorgeschlagene drahtlose Übertragung des Schaltsignals und insbesondere die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung des Funksenders mit aus der Bewegung des Schwimmkörpers gewonnener elektrischer Energie auch die problemlose Anwendung elektrisch bzw. elektronisch realisierter Schalter zur Ausgabe eines Schaltsignals. Diese Schalter werden vorzugsweise mit einem elektrischen bzw. elektronischen Sensor zur Überwachung des Flüssigkeitsniveaus kombiniert und können mit diesem sowie dem Funksender eine Baueinheit bilden. Ein solcher elektrischer bzw. elektronischer Sensor kann das Flüssigkeitsniveau oder eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus erkennen. Beispielsweise kann es sich um einen miniaturisierten Lagesensor oder -Beschleunigungssensor handeln, wie er in Smartphones zur Erkennung der Ausrichtung des Gerätes verwendet werden. Derartige Sensoren sind häufig mit piezoelektrischen Sensorelementen bestückt oder als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) aufgebaut. Da Teile eines solchen Sensors als elektrokinematische Energiewandler dienen können, kann auch in diesem Fall eine Kombination mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann die Energieversorgung des Funksensors durch den Betrieb des elektrischen bzw. elektronischen Sensors sichergestellt werden. Selbstverständlich ist es auch bei dem Einsatz elektrischer bzw. elektronischer Sensoren und Schalter möglich, die Energieversorgung, wie oben beschrieben, durch die Bewegung des Schwimmkörpers sicherzustellen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung ist dabei exemplarisch an einer Überwachungseinrichtung für den Behälter einer Kläranlage beschrieben. Dies beschränkt die Erfindung jedoch nicht. Wie oben bereits angegeben, kann die Erfindung auch zur Überwachung des Flüssigkeitsniveaus bei unterschiedlichen Behältern bzw. Anwendungen eingesetzt werden. Bei der nachfolgenden Beschreibung zeigen:
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1 einen Behälter mit einer Flüssigkeit und einer Überwachungseinrichtung,
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2 verschiedene Positionen eines Schwimmkörpers,
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3 eine Einrichtung zum Überwachen eines Flüssigkeitsniveaus,
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4 einen Schnitt durch einen Lineargenerator.
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Die Figuren zeigen die Erfindung zum Teil schematisch, stark vereinfacht oder lediglich mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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In einem mit einer Flüssigkeit 1 befüllten Behälter 2 einer Kläranlage ist eine Überwachungseinrichtung 3 zum Überwachen des Niveaus 4 der Flüssigkeit 1 angeordnet, siehe 1. Die Überwachungseinrichtung 3 umfaßt einen Schwimmkörper 5 zur Anordnung auf der Flüssigkeit 1, einen in dem Schwimmkörper 5 angeordneten Schalter 6, der zur Ausgabe eines Schaltsignals in Abhängigkeit von dem Niveau 4 der Flüssigkeit 1 ausgebildet ist und einen in dem Schwimmkörper 5 angeordneten Funksender 7 zur drahtlosen Übertragung des Schaltsignals an einen außerhalb des Schwimmkörpers 5 angeordneten Empfänger 8, einer zentralen Steuerungseinheit der Kläranlage, siehe 1 und 3. Der Schwimmkörper 5 ist mit Hilfe eines Halteelements in Gestalt eines flexiblen, drehbar gelagerten Haltestabes 9 an einem ortsfesten Haltepunkt 10 an einer Wand 11 des Flüssigkeitsbehälters 2 befestigt, so daß eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus 4 eine Änderung der Neigung des Schwimmkörpers 5 zur Folge hat, siehe 2.
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Der Schalter 6 ist ein als Wechselschalter mit einem Öffner- und einem Schließerkontakt ausgeführter Mikroschalter, der über ein Hebelsystem (nicht dargestellt) von einer als Funktionskörper dienenden Kugel 12 betätigt wird. In Abhängigkeit von der Neigung des Schwimmkörpers 5, genauer gesagt immer dann, wenn sich der auf der Flüssigkeit 1 schwimmende Schwimmkörper 5 in einer oberen Position, entsprechend einem ersten Flüssigkeitsniveau 1a, oder aber in einer unteren Position, entsprechend einem zweiten Flüssigkeitsniveau 1b, befindet, verändert die Kugel 12 auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn ihre Position und betätigt den Schalter 6. Dies ist nur eine von vielen Möglichkeiten der Ausführung eines Schalters, wie er mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Eine in dem Schwimmkörper 5 angeordnete Energieversorgungseinrichtung 13 umfaßt einen elektromechanischen Wandler 14 zur Umwandlung kinetischer Energie des Schwimmkörpers 5 in elektrische Energie zur Versorgung des Funksenders 7. Die auf diese Art gewonnene Energie wird in einem Zwischenspeicher 15 gespeichert, welcher elektrisch mit dem Energiewandler 14 und dem Funksender 7 verbunden ist. Der Energiewandler 14 ist als Lineargenerator ausgeführt und umfaßt, wie in 4 dargestellt, einen zylinderförmigen Permanentmagneten 16, der in einer hohlzylindrischen Führung 17 zwischen Federelementen 18 an den Wänden des Schwimmkörpers 5 aufgehängt ist und in dieser Führung 17 um seine Ruhelage schwingen kann. Um die Führung 17 herum ist eine Zylinderspule 19 angeordnet. Durch eine Bewegung des Magneten 16 relativ zu der elektrischen Spule 19 wird durch elektromagnetische Induktion ein elektrischer Strom erzeugt. Die Aufhängung des Magneten 16 im Schwimmkörper 5 ist so verwirklicht, daß bei jeder Bewegung des Schwimmkörpers 5, insbesondere aber bei einer Auf- bzw. Ab-Bewegung des Schwimmkörpers 5 aufgrund einer Änderung des Flüssigkeitsniveaus 4 oder aufgrund einer Wellenbewegung der Flüssigkeit 1, Strom erzeugt und in dem Zwischenspeicher 15 gespeichert wird.
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In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird als Energiewandler 14 ein Piezowandler verwendet, dessen Piezoelement zur Erzeugung einer elektrischen Spannung von einem Funktionskörper mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird. Das Piezoelement ist dabei derart in den Schalter 6 integriert, daß die als Funktionskörper zur Betätigung des Schalters 5 dienende Kugel 12 zugleich das Funktionselement zur Betätigung des Energiewandlers 14 ist. Mit anderen Worten wird die Energie zum Betreiben des Funksenders 7 aus dem Schaltereignis selbst gewonnen.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln. als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeit
- 2
- Behälter
- 3
- Überwachungseinrichtung
- 4
- Flüssigkeitsniveau
- 5
- Schwimmkörper
- 6
- Schalter
- 7
- Funksender
- 8
- Empfänger
- 9
- Haltestab
- 10
- Haltepunkt
- 11
- Behälterwand
- 12
- Kugel
- 13
- Energieversorgungseinrichtung
- 14
- Energiewandler
- 15
- Zwischenspeicher
- 16
- Permanentmagnet
- 17
- Führung
- 18
- Federelement
- 19
- Zylinderspule
